Aus dem Programm Werkstoffkunde Lehrbucher: w. Werkstoffkunde und Werkstoffprufung, von WeiBbach Werkstoffkunde fur Elektroingenieure, von P. Guillery, R. Hezel und B. Reppich Technologie der Werkstoffe, von J. Ruge Aufgabensammlung: Aufgabensammlung Werkstoffkunde und Werkstoffprufung, von W. WeiBbach, U. Bleyer und M. Bosse Praktikum: Praktikum in Werkstoffkunde, von E. Macherauch Handbucher: Arbeitshilfen und Formeln fur das technische Studium Band 1 Grundlagen, von A. Bage Das Techniker Handbuch, von A. Bage Vieweg ---------------- Wolfgang WeiBbach Uwe Bleyer Manfred Bosse Aufgabensammlung Werkstoffkunde und Werkstoffprlifung herausgegeben von Wolfgang WeiBbach mit 63 Bildern Vieweg CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Weissbach, Wolfgang: Aufgabensammlung Werkstoffkunde und Werkstoff priifung I Wolfgang Weissbach; Uwe Bleyer; Manfred Bosse. Hrsg. von WolfgangWeissbach. - 1. Auf!. - Braunschweig: Vieweg, 1978. (Viewegs Fachbiicher der Technik) NE: Bleyer, Uwe:; Bosse, Manfred: Aile Rechte vorbehalten ©Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, 1978 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1978 Die Vervielfaltigung und Ubertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fUr Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall muib iiber die Zahiung einer Gebiihr fUr die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fUr die Vervielfaltigung durch aIle Verfahren einschliell>lich Speicherung undjede Ubertragung auf Papier, Transparente, FUme, Bander, Platten und andere Medien. Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig Druck: E. Hunold, Braunschweig Buchbinder: W. Langeliiddecke, Braunschweig ISBN-13: 978-3-528-04038-3 e-1SBN-13: 978-3-322-89457-1 DIO: 10.1007/978-3-322-89457-1 Vorwort Aile Dozenten des Faches Werkstoffkunde leiden unter einer Art "Kostenschere": einem konstanten Stundenvolumen steht ein Lehrstoff gegenuber, der in Schwer punkten zunehmend tiefer behandelt werden muB, sich aber gleichzeitig durch neue Werkstoffe und Technologien ausweitet. Deshalb kommt der Eigenarbeit der Studierenden eine groBe Bedeutung zu. Was in den anderen Grundlagenfachern selbstverstandlich ist - dem Unterrichtsfortschritt entsprechende Aufgaben zu losen, um das im Unterricht Erlernte zu festigen, als auch an auftretende Probleme herangefuhrt zu werden - ist mit der Aufgabensamm lung nun auch im Fach Werkstoffkunde und Werkstoffprufung moglich. Damit liegt - ahnlich wie fur andere Werke dieser Fachbuchreihe - ein Lehr- und Lernsystem fur das Fach Werkstoffkunde vor, das Stoffvermittlung und Stoffaneig nung im Verbund anbietet. Die hausliche Arbeit der Studierenden beschrankte sich bisher haufig auf das Durch lesen des im Unterricht besprochenen Stoffes. Besonders interessierte Studierende bemuhten sich, dazu Fragen zu formulieren. Diese Methode war sehr muhevoll und brachte nur selten den notwendigen Erfolg. Die Aufgabensammlung ermoglicht den Studierenden, den angestrebten Lernerfolg durch ein regelmal!iges, zielgerichtetes Arbeiten sicherer und bequemer zu erreichen und selbst zu kontrollieren. Deshalb ist das Buch in einen Aufgabenteil (Fragen) und einen Losungsteil (Antworten) getrennt. Die Gliederung und Numerierung stimmt mit dem Lehrbuch uberein (siehe Inhaltsverzeichnis). Dadurch kann nicht nur zur Frage die Antwort, sondern auch der zugehorige Lehrstoff schnell gefunden werden. Den Dozenten soli das Buch aul!erdem bei der Erstellung von Aufgaben und Losungen entlasten. Fur Kritik und Anregung danken wir im voraus und wunschen allen Benutzern des Lehrsystems einen guten Erfolg. Die Autoren III Hinweise fur den Benutzer • Lehrbuch und Aufgabensammlung sind als Lehrsystem aufeinander abgestimmt. • Gleichartige Abschnitte in Lehrbuch und Aufgabensammlung tragen die gleiche Nummer. • Die Aufgaben sind an den Lernzielen fur Fachschulen Technik orientiert. • Die Fragestellungen erwarten knappe Antworten, als Losung werden keine "Auf satze" verlangt. • Die Aufgaben folgen im allgemeinen dem Lehrbuchtext, daher ist ein nahezu synchroner Lernfortschritt moglich. • Die Aufgaben enthalten z. T. Hinweise auf den Umfang der geforderten Antwort (in Klammern stehendL • Die Antworten enthalten Hinweise auf erganzende Informationen in anderen Abschnitten des Lehrbuches. IV I nhaltsverzeichnis Die grau unterlegten Teile des Lehrbuchinhalts sind das Inhaltsverzeichnis der Aufgabensammlung Fragen Antworten Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.1 Rohstoffe und Werkstoffe 1.2 Eigenschaften der festen Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.2.1 Atomart (Atommodelle) 1.2.2 Bindungsart (chemische Bindung) 1.2.3 Innere Ordnung, Feinstruktur, Raumgitter 1.2.4 Geflige, Grobstruktur 1.3 Grundlagen der Metallkunde .......................... . 1 65 1.3.1 Einteilung der Metalle und Haufigkeit ................ . 1 65 1.3.2 Metalleigenschaften und Metallbindung ............... . 2 66 1.3.3 Die Raumgittertypen der Metalle ................... . 3 66 1.3.4 Die Entstehung des Gefuges ...................... . 4 68 1.3.5 Die Ausnutzung der Kristallisationswarme zur thermischen Analyse ................................... . 4 69 1.3.6 Die Auswirkungen der Kristallstruktur auf die mechanischen Eigenschaften ............................... . 5 69 1.3.7 Die Kaltverfestigung ........................... . 7 71 1.3.8 Die Rekristallisation ........................... . 8 72 1.3.9 Die Kornvergro6erung (Kornwachstum, Grobkornbildung) 1.4 Zweistofflegierungen (binare Legierungen) ................ . 9 72 1.4.1 Allgemeines - Phasenregel ....................... . 9 72 1.4.2 Entstehung eines Zustandsschaubildes ............... . 10 74 Zustandsschaubild Grundtyp I (System KristaUgemisch) 1.4.3 Das Lesen eines Zustandsschaubildes ................ . 11 74 1.4.4 Allgemeine Eigenschaften der Legierungen Grundtyp I .... . 12 75 1.4.5 Zustandsschaubild Grundtyp II (System Mischkristalle) .... . 13 76 1.4.6 Allgemeine Eigenschaften der Mischkristallgeflige ........ . 14 77 1.4.7 Vergleich der beiden Grundtypen I und II 1.4.8 Weitere Moglichkeiten der Legierungsbildung 2 Die Legjerung Eisen-Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 5 . . . . . 78 2.1 Abktihlungskurve und Kristallarten des Reineisens ............ 15 78 2.2 Erstarrungsformen ................................. 17 79 2.3 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagrarnm und die Umwandlungsvorgange bei den Legierungen, metastabiles System .................... 18 80 2.3.1 Erstarrungsvorgange ............................ 18 80 2.3.2 Die Umwandlungen im festen Zustand und die Perlitbildung 19 81 v Fragen Antworten 2.4 Die Eigenschaften dec Stahle und Eisenlegierungen in Abhangig}ceit yom Kohlenstoffgehalt und den Eisenbegleitern . . . . . . . . . . . . 2. 2. 84 2.4.1 Wirkung des Kohlenstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 84 2.4.2 Die Wirkung dec Eisenbegleiter auf die Eigenschaften und das Gefuge der Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 3. . . . . . 85 3 Roheisen-und Stahleneugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 87 3.1 Rohstoffe 3.2 Erzaufbereitung 3.2.1 Anreichern 3.2.2 HersteUen der gtinstigsten KomgroBe 3.3 Roheisengewinnung irn Hochofen 3.3.1 Bauart des modemen Hochofens 3.3.2 Hochofenerzeugnisse 3.3.3 Chemische Begriffe zur Roheisen-und Stahlerzeugung 3.3.4 Chemische Vorgange irn Hochofen 3.3.5 Entwicklung der Eisengewinnungsverfahren 3.4 Stahlerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 87 3.4.1 AIlgemeines tiber die Stahlerschrnelzung 3.4.2 Thomas-Verfahren 3.4.3 Bessemer-Verfahren 3.4.4 Siemens-Martin-Verfahren 3.4.s Sauerstoff-Aufblas-Verfahren 3.4.6 Elektrostahl-Verfah.ren 3.5 Das VergieBen des Stahls 3.5.1 KokillenguB 3.5.2 StrangguB 3.6 Das Erstarren des Stahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 88 3.6.1 Seigerung 3.6.2 Lunkerbildung 3.6.3 Unberuhigt vergossener Stahl 3.6.4 Beruhigt vergossener Stahl 3.6.5 Vakuumstahl 3.7 Unlegierte Stahle nach DIN 17100 3.8 Die Benennung der Eisenwerkstoffe 3.8.1 Werkstoffnummem DIN 17007 3.8.2 Kurzbezeichnung DIN 17006 VI Fragen Antworten 4 Warmebehandlung des Stahls 28 90 4.1 Allgemeines ..................................... . 28 90 4.2 Glillien ........................................ . 28 90 4.2.1 Normalgliihen (Umkornen) ....................... . 28 90 4.2.2 Grobkomgliihen .............................. . 29 91 4.2.3 Weichgliihen (Gliihen auf kugeJigen Zementit) .......... . 29 91 4.2.4 Spannungsarmgliihen ........................... . 29 92 4.2.5 Diffusionsgliihen .............................. . 30 92 4.2.6 Rekristallisa tionsgliihen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 0 . . . . 92 4.3 Harten und Vergiiten ............................... . 31 93 4.3.1 lnnere Vorgange .............................. . 31 93 4.3.2 Verfahren .................................. . 32 95 4.3.3 Durchhartung ............................... . 33 96 4.3.4 Harteverzug und Gegenm~nahmen ...... ........... . 34 96 4.3.5 Vergiiten . .................................. . 34 97 4.4 Aushartung ..................................... . 35 98 4.4.1 lnnere Vorgange ......................... ..... . 35 98 4.4.2 Verfaluen .................................. . 35 99 4.4.3 Bedeutung und Anwendung der Aushiirtung ...... : .... . 35 99 4.5 Sonderverfahren zur Randschichthartung ................. . 36 100 4.5.1 Allgemeines ................................. . 36 100 4.5.2 Einsatzharten ................................ . 37 100 4.5.3 Nitrieren ................................... . 37 101 4.5.4 Randschichtharten durch partielles Erwarmen und Abschrecken 38 102 4.5.5 Weitere Verfahren zur Herstellung einer verschJei1!.festen Rand· schicht .................................... . 39 103 4.6 Thermomechanische Behandlungen 5 Eisen-G~werkstoffe .................................. . 40 104 5.1 Obersicht und Einteilung .. .......................... . 40 104 5.2 Stahlgufl. ....................................... . 40 104 5.3 Allgemeines iiber Gefuge. und Graphitausbildung .........•... 41 lOS 5.4 Gufl.eisen mit Lamellengraphit (GG) ..................... . 42 106 5.5 Gufl.eisen mit Kugelgraphit (GGG) ...................... . 42 106 5.6 Tempergufl. (GTS und GTW) .......................... . 43 107 5.7 Sondergufl. 6 Legierte Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 4 . . . .1 0. 8. . 6.1 Allgemeines ..................................... . 44 108 6.2 EinfluB der Legierungselemente auf das Geflige und das EKD .... . 44 108 VII Fragen Antworten 6.2.1 Mischkrista1lbildner 6.2.2 Carbidbildner 6.2.3 Elemente, die das Austenitgebiet erweitem 6.2.4 Elemente, die das Austerutgebiet verkleinem 6.2.5 Wirkung mehrerer Elemente im Stahl 6.3 Einflu~ der Legierungselemente auf die Eigenschaften bei hoheren Temperaturen 6.3.1 Allgemeines 6.3.2 Warmfeste Baustahle 6.3.3 Warmarbeitsstahle 6.3.4 Schnellarbeitsstahle (SS-Stahle) 6.4 Einflu6 der Legierungselemente auf die Schweilibarkeit 6.5 Einflu6 der Legierungselemente auf die Hartbarkeit 6.5.1 Oer Einflu6 der Legierungselemente auf die Einhartung 6.5.2 Oer Ejnflu~ der Legierungselemente auf die Geschwindigkeit der Austenitumwandlung, ZTU-Schaubilder 7 NichteisenmetaUe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 110 7.1 AUgemeines...................................... 46 110 7.2 Bezeichnung von NE-Metallen und Legierungen ............ .. 46 110 7.2.1 Reine Metalle 7.2.2 Legierungen - Knetlegierungen - Gul.\legierungen 7.2.3 Lieferformen der NE-Metalle 7.3 Aluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 .6 . . . . . . 1. 10 7.3.1 Vorkommen und Gewinnung ...................... 46 110 7.3.2 Eigenschaften und Anwendung von Reinaluminium ....... 47 III 7.3.3 Alumin.ium·Legierungen - Wirkllng der Legierungselemente 48 112 7.3.4 Obersicht tiber die Legierungstypen .................. 48 112 7.3.5 Aushartung der Aluminium-Legierungen . . . . . . . . . . ... . . 49 113 7.4 Kupfer 7.4.1 Vorkommen und Gewinnung 7.4.2 Eigenschaften und Verwendung des reinen Kupfers 7.4.3 Kupferlegierungen, AUgemeines 7.4.4 Obersicht tiber die Legierungstypen 7.5 Titan 7.5.1 Vorkommen und Gewinnung 7.5.2 Eigenschaften und Anwendung 7.6 Druckgu6werkstoffe 7.7 Lagerwerkstoffe 8 PulvermetaUurgie, SintermetaUe 50 114 8.1 AUgemeines 8.2 Herstellung der Pulver VIII Fragen Antworten 8.3 Fonngebung durch Pressen 8.4 Sintern 8.5 ·Kalibrieren 8.6 Nachbehandlung der Sinterteile 8.7 Werkstoffe 8.8 Klassifizierung, Nonnung 9 Korrouon and Korrolionachutz ................................................... 51 115 9.1 8egriffe 9.1.1 KorrosionsgrOBen 9.1 .2 Ursache der Korrosion 9.2 Chemischer Angri.ff 9.3 Elektrochemischer Angriff 9.3.1 Galvanisches Element, Spannungsreihe 9.3.2 Korrosionselemente 9.4 Erscheinungsformen der Korrosion 9.4.1 Korrosion und mechanische Beanspruchung 9.5 Korrosionsschutz 9.5.1 Eingriff in die Reaktion 9.5.2 Trennung von Metall und Korrosionsmittel durch Oberziige 10 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... 53 117 10.1 Allgemeinea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 117 10.1.1 Vergleich Metall - Kunststoff 10.1.2 Kunststoffmolekille 10.2 Die Entstehung der Makromolektile .... oo ............................. 53 117 10.2.1 Natilrliche Makromolektile 10.2.2 Synthetische Makromolekille 10.3 Molekillstruktur und EinfluL\ auf die Eigenschaften . . . . . . . . . 55 119 10.3.1 Bindungskriifte 10.3.2 Einflufo der Kettenlange 10.3.3 EinfluL\ der Gestalt 10.3.4 Einflu1\ der Ordnung von Fadenrnolekiilen in Thermo- plasten 10.4 Einflu1\ von Zuslitzen ..................... oo· ...................... oo ...... 55 120 105 Duroplaste (Duromere) ................................................ oo 56 120 10.5.1 Allgemeines 10.5.2 Verarbeitung der Duroplaste 10.5.3 Neue Duroplaste - Glasfaserverstiirkte Kunststoffe IX